하수처리장에 생긴 부업, 수소 에너지 생산

하수처리장에 생긴 부업, 수소 에너지 생산

대학생신재생에너지기자단 18기 이유나

l  수소 에너지는 왜 떠오르고 있을까

2016년 11월, 파리기후변화협약이 발효되었다. 이는 지구 평균온도 상승 폭을 산업화 이전 대비 2℃도 이하로 유지하도록 하고, 1.5℃ 이하로 낮추고자 맺은 국제적인 약속이다. 이에 따르면 한국은 2030년 온실가스 배출 전망치 대비 37% 정도를 감축해야 한다. 지구 평균 기온 상승의 주범이 온실가스이기 때문이다. 대표적인 온실가스는 이산화탄소, 메탄, 이산화질소 등이며 화석연료 사용으로 인해 배출된다. 현재 한국 에너지원의 대부분은 화석연료가 차지하고 있으며 수치는 대략 석탄 40.4%, 천연가스 25.6%이다. 반면 신재생에너지는 6.5%로 매우 낮은 비율을 차지하고 있다. 탈탄소를 위해서는 에너지 전환이 필수적이다. 태양광, 태양열, 풍력 등의 친환경 에너지 자원 가운데 떠오르고 있는 것은 바로 ‘수소’이다.

수소는 연소하더라도 연기를 뿜지 않아 미래 무공해 에너지원으로 여겨지고 있다. 많은 탄소를 배출하게 하는 화석연료와 달리 수소 에너지는 유해물질 배출량이 적다. 또한, 수소의 연료가 되는 물은 양이 풍부하며 우리나라에서도 자연에서 얻을 수 있기 때문에 에너지 자립 측면에서도 긍정적이다. 뿐만 아니라 수소는 효율적인 에너지로 여겨지고 있다. 수소 질량 1g당 발열 에너지가 석유보다 3배 이상 높다고 밝혀졌기 때문이다. 그렇다면 수소는 어떠한 방식으로 생산될까?

 

l  수소는 어떤 방식으로 생산되고 있을까

 

 

[자료 1. 생산 방식에 따른 수소의 종류]

출처: 뉴스핌

수소 산업 활성화를 통해 수소산업 클러스터 조성, 수소에너지 전주기 산업 육성 등 여러 정책을 추진 중이며 수소차 보급 확대 정책 등을 통해 경제적, 산업적 가치를 창출하고 있다. 그러나 수소 공급 부분에서는 핵심 기술과 상용화가 미흡한 실정이다. 수소공급의 대부분은 석유화학산업에서 발생하는 부생수소를 활용하고 있는데, 이는 대규모 석유화학단지 주변 지역으로 제한되므로 지리적 한계가 있다. 또한, 최근 들어 수소산업 성장이 빠르게 진행되면서 부생수소만으로는 수소 사용량을 감당하기 어려운 상황이다. 즉, 그린수소 경제 산업 단계에서는 단기적인 방법이므로 장기적이고 안정적인 그린수소 생산이 필요하다.

석유화학공정에서 발생한 부산물을 이용한 기술 이외에도 천연가스에서 추출하는 추출수소, 물을 전기분해하여 얻는 수전해수소 생산 기술 등이 있다. 우리나라에서는 대부분 부생수소를 사용하지만, 전 세계에서 사용하는 수소의 65%는 천연가스를 분리해 얻은 것이다. 이는 천연가스의 주성분인 메탄을 물과 결합시켜 수소(3H2 )와 일산화탄소(CO)를 생성하고, 여기에 물을 다시 결합하여 수소(4H2 )와 이산화탄소(CO2) 로 분리하는 방법이다. 온실가스인 이산화탄소가 발생하므로 포집 및 세척 등의 시설도 구축해야 한다. 그러나 이 방법은 우리나라에서는 천연가스를 수입해야 한다는 문제가 있어 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 떠오른 것이 바로 소화조를 갖춘 하수처리장이다.

 

l  하수처리장에서 수소는 어떠한 방식으로 생산되고 있을까

하수ㆍ음식물쓰레기ㆍ분뇨 등의 부패ㆍ분해 과정에서 바이오가스가 발생하는데, 이를 이용하여 수소를 생산할 수 있다는 것이다. 하수ㆍ음식물쓰레기ㆍ분뇨 등을 구 모양의 밀폐 저장탱크 소화조에 두면, 부패ㆍ분해가 일어나면서 가스가 발생한다. 이 가스는 유기성 폐기물이 분해되면서 발생하므로 바이오가스로 불린다.

 

 

 

[자료 2. 바이오가스의 생성 과정]

출처: 두산백과

바이오가스는 30%가 이산화탄소이고 60~65% 정도가 메탄으로 이루어져 있는데 고질화라는 일련의 과정을 거치면 순도 높은 메탄을 분리할 수 있다. 즉, 하수처리장에서 천연가스(메탄)를 생산할 수 있다는 것이다. 그 후엔 앞서 설명했던 천연가스에서 수소를 분리하는 방식을 이용하면 된다. 물론 하수처리장에 바이오가스 고질화 설비, 천연가스에서 수소를 분리하는 설비 등을 갖추었을 때 가능한 이야기이다. 이러한 초기 시설만 갖추면, 주원료인 바이오가스가 하수처리장에서 자동적으로 발생하는 부산물이므로 별도의 비용이 들지 않아 경제적이라고 할 수 있다.

 

 

[자료 3. 하수처리장에서 수소를 생산하는 공정]

출처: 한겨례

환경부에 따르면, 2020년 말 기준 국내 공공하수처리시설은 총 3965곳이며, 이 중 하루 500t 이상 처리 가능한 대형 시설은 681곳이다. 대형 시설 가운데 바이오가스 생산에 필수인 소화조를 갖춘 곳은 67곳이며 발생하는 바이오가스는 60만 9586m3/d  이다. 이만큼의 바이오가스는 이론상 하루 85.4t 의 수소를 생산할 수 있다. 현재 천연가스 가격(t당 약 60만 원)을 고려했을 때, 천연가스 대신 바이오가스를 이용할 시 경제적 효과가 클 것으로 추정된다. 또한, 생산비 절감으로 인해 수소 판매 가격이 내려가면 수소산업 활성화 및 관련 일자리 창출까지 기대할 수 있다.

 

 

[자료 4. 바이오가스 공정 작동 과정]

출처: WELTEC BIOPOWER

 

l  하수처리장에서의 수소 생산, 개선해야 할 점은 무엇인가

그러나 하수처리장에서 발생하는 바이오가스를 이용한 수소 생산은 아직 초기 단계이므로, 효율성ㆍ내구성ㆍ안정성ㆍ신뢰도 등 점검할 요소가 많다. 먼저, 연료로 사용되는 바이오가스에 포함된 여러 미량의 불순 화합물이 연소 엔진을 손상시킬 수 있으며 높은 비용이 요구된다. 실제로 난지 물재생센터의 하수처리 설비에서 발생한 45,300m3/d 의 바이오가스를 연료로 이용해 1,500kW , 2대 규모의 엔진 발전기를 운영하는 도중 원인을 정확히 파악하기 어려운 고장이 발생했다. 이러한 가스엔진 트러블의 주된 원인은 황화수소, 실록산, 수분 등의 불순물인 경우가 대부분이며 특히 황화수소는 고장을 유발하는 다른 물질과 반응해 전처리 공정에 큰 영향을 주는 물질이다. 분뇨와 음폐수가 유입되면 황화수소 농도가 급증하게 되고, 습식탈황공정에서 기준에 맞게 제거되지 않을 경우 황화수소 및 실록산 흡착탑의 제거 성능이 급격히 하락해 가스엔진의 잦은 고장정지의 원인이 된다. 따라서 바이오가스의 성분인 황화수소와 실록산 등의 불순물이 바이오 가스엔진 운영의 안정성을 결정하는 주된 변수가 된다. 그러나 불순물의 함량이 결정되는 변수가 다양하기 때문에 정량적인 양을 예측하는 데에 현실적 어려움이 있어 바이오가스 공정의 고장 정지로부터 안전하지 못하다는 문제가 있다.

그럼에도 불구하고 하수처리장뿐만 아니라 수도권매립지에서도 대량의 바이오가스를 생산하고 있다는 점에서, 바이오가스는 사용하기 좋은 원료이다. 정제공정과 수소추출 설비만 갖춘다면, 바이오가스를 이용한 수소 생산이 가능해진다. 이를 활용하면 수도권 내에서도 그린수소 네트워크 구축이 가능해질 것으로 기대된다.

현재 창원시 하수도사업소에서 시범사업을 진행하고 있다. 창원시에서 발생한 하수ㆍ음식물쓰레기ㆍ분노 등을 처리하는 덕동물재생센터에서 바이오가스를 생산해 도시가스로 판매하고 있는데, 환경부와 창원시는 이곳에 소화조와 수소생산시설 등을 갖추기로 한 것이다. 2050 탄소중립 정책을 위한 한걸음, 바이오가스 수소화설비에 대한 시범사업이 본격적으로 시작되려 하고 있다.  

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참고문헌

[수소 에너지는 왜 떠오르고 있을까]

1. "수소에너지[ hydrogen energy , 水素─ ]", 네이버 두산백과, 2021. 3. 1. 접속,

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1097785&cid=40942&categoryId=32315.

2. GREENPEACE, “위기에 빠진 북극곰 살리기, 지구온난화의 원인과 해결방안”, 2017.12.29.,

https://www.weltec-biopower.com/info-center/biogas/how-does-a-biogas-plant-work.html

[수소는 어떤 방식으로 생산되고 있을까]

1. 김기락, “[Tech 스토리] 그린뉴딜 & 수소사회 향한 목표 '그린수소'가 대체 뭐길래”, 뉴스핌, 2021.02.28.,

http://www.newspim.com/news/view/20210226000702

2. 최상원, “하수처리장에서 수소차 7천대 쓸 수소에너지 만든다?”, 한겨레, 2021.01.28.,

http://www.hani.co.kr/arti/area/yeongnam/980752.html#csidx2ddf4104e850c41931c3cedba168b9d

[하수처리장에서 수소는 어떠한 방식으로 생산되고 있을까]

1. "바이오가스(biogas)", 네이버 두산백과, 2021. 3. 1. 접속,

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1097785&cid=40942&categoryId=32315

2. WELTEC BIOPOWER, “How does a biogas plant work?”, 

https://www.weltec-biopower.com/info-center/biogas/how-does-a-biogas-plant-work.html

[하수처리장에서의 수소 생산, 개선해야 할 점은 무엇인가]

1. 김길정, 김래현(2019). 하수처리장 바이오가스 플랜트의 가스엔진 최적 운영 방안. 에너지공학, 28(2), 19.

2. 김재형, 장재용 외 6인(2019). 바이오가스를 활용한 수소생산 및 수소충전소 구축 방안, 한국에너지학회 학술발표회, 230